НАНОТЕХНОЛОГИИ В БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЕ

Многофункциональные наночастицы

Появление и развитие нанотехнологий не могло не затронуть одну из важнейших областей жизнедеятельности человека - медицину. Данная область характеризуется высоким уровнем консерватизма. Так, средний период от создания лекарственного препарата до внедрения его в медицинскую практику составляет порядка 5-10 лет. В связи с этим, несмотря на бурно развивающееся направление - наномедицину, подавляющее число разработок в этой области до сих пор находятся на уровне образцов, созданных в исследовательских лабораториях.

Одним из новых и перспективных направлений в медицине является разработка устройств и методов для диагностики заболеваний на основе анализа дыхания человека [5.1]. Преимущества данного подхода очевидны и заключаются в первую очередь в возможности дистанционного диагностирования заболеваний, которое не требует введения пациенту никаких дополнительных лекарственных препаратов или инвазивного вмешательства. В выдыхаемом человеком воздухе содержится более 600 летучих (окиси азота, водород, аммиак и др.) и нелетучих (лактат, глицерин, ацетоуксусная мочевая, лимонная кислоты и др.) соединений, из которых около 20 наиболее чувствительны к функционированию нашего организма и могут служить естественными биомаркерами. В таблице 5.1 показана взаимосвязь между молекулами, содержащимися в выдыхаемом воздухе и его конденсате, и некоторыми заболеваниями.

Молекула-биомаркер

Заболевания

Среда

Кислород (02)

заболевания легких и сердечнососудистой системы

Воздух

Углекислый газ, его

изотопические

модификации,

окись углерода (С02,

12С02, 13С02, СО)

инфицирование бактерией Helicobacter pylori, прохождение пищи через желудочно-кишечный тракт, дисфункция печени, в т.ч. цирроз, избыточный рост бактерий, дисфункции поджелудочной железы, усвоение лактозы, мальабсорбция, метаболизм желчи, метаболизм глюкозы, анемии (гемолитическая, сидеробластическая, серповидноклеточная), карбоксигемоглобинемия при остром и хроническом облучении, долговременное пребывание при повышенном содержании 02,

Воздух

гипербилирубинонемия новорожденных, оксидативный стресс, гематомы, гемоглобинурия, приклампсия, инфекции, талассемия, инфекция

дыхательных путей, астма

Молочная кислота (лактат)

(СНзСН(ОН)СООН)

кислородная задолженность тканей при интенсивных физических упражнениях, циркуляторном шоке (геморрагическом, кардиогенном, септическом), выраженной гипоксемии, выраженной анемии

Конденсат

Водородный показатель (pH)

дисбактериоз кишечника, диарея, колит, астма, заболевания легких

конденсат

Окись азота, диоксид азота (N0, И02)

хроническая обструктивная болезнь легких, астма, гипертензия, бронхоэктазис, инфекция верхних дыхательных путей, ринит, воспалительные процессы в желудке (гастрит), в том числе инфекция Helicobacter pylori, рак органов пищеварения, тяжелый сепсис, хронические инфекционные воспалительные процессы (гастрит, гепатит, колит)

воздух

Аммиак (ИНз)

острая и хроническая лучевая болезнь, метаболизм моноаминов в легких, почечная недостаточность: при нефритах, гипертонической болезни, атеросклерозе почечных артерий, токсикозе и нефропатии беременных, токсических поражениях почек, недостаточность печени при желтухах, гепатитах, циррозе печени, токсическом гепатите, рак легкого, системная красная волчанка

воздух

Ацетон (СН3СОСН3)

функция поджелудочной железы при остром деструктивном панкреатите и диетическом разбалансе, тяжелая сердечная недостаточность, рак легкого, сахарный диабет

воздух,

конденсат

Определение концентраций кислорода и углекислого газа проводится с использованием в лабораторных условиях газоаналитического оборудования на основе электрохимического, парамагнитного и спектроскопического сенсоров. Остальные летучие компоненты содержатся в выдыхаемом воздухе в следовых количествах (менее 10'6%). Поэтому для определения их концентраций необходимо высокоточное оборудование, такое как газовые хроматографы, масс-спектрометры, совмещенные с газохроматографическим разделением, электрохимические сенсоры, УФ-хемолюминесценторы, ИК- спектросктрометры, оптоакустические и лазерные спектрометры. Следует отметить, что данные методы диагностики являются достаточно дорогостоящими, что принципиально ограничивает их внедрение в диагностическую медицинскую практику.

Появление наноматериалов привело к возникновению отдельного нового направления в разработке высокочувствительных химических сенсоров для диагностики заболеваний по выдоху пациента. Для детектирования летучих соединений используются различные функционализированные полупроводниковые, металлические наночастицы и углеродные нанотрубки [5.2]. Большое отношение площади поверхности к объему наночастиц позволяет значительно увеличить чувствительность сенсорного элемента, снизить порог обнаружения и уменьшить время восстановления. В работе [5.3] был разработан газовый сенсор, чувствительный к парам неполярных соединений в присутствии паров воды. Сенсорный элемент представляет собой пленку, которая содержит монослой кубических наночастиц РБ В присутствие паров аналита сопротивление пленки увеличивается в результате увеличения расстояния между наночастицами платины и изменения диэлектрической проницаемости пленки.

Для исследования противоопухолевых эффектов производных фуллерена были синтезированы гибридные структуры на основе фуллеренпролина с биологически активными донорами N0, а также с антиоксидантом карнозином. Обнаружен значительный противоопухолевый эффект действия таких наноструктур. Новые гибридные наноструктуры выступали как эффективные хемосенсибилизаторы, которые вызывали излечение ~ 70 % животных с лейкемией Р388 при введении данных соединений в комбинации с клиническими цитостатиком циклофосфамидом. Аналогичные гибридные молекулы выступают в качестве выраженных ингибиторов процесса метастазирования при введении в комбинации с цитостатиками. При этом терапевтическая доза цитостатиков снижается в 10 раз, что обеспечивает уменьшение их токсичности и предотвращает развитие резистентности. Таким образом, комбинированное использование арсенала методов и подходов физики, химии и молекулярной биологии позволяет прогнозировать создание на базе фуллеренов новых биосовместимых и биологически активных наноструктур для широкого применения в медицине. Такие структуры и материалы отличаются малой токсичностью и высокой селективностью действия на биологические системы различного уровня организации, и могут послужить основой для создания принципиально новых лекарственных соединений для лечения широкого спектра социально значимых заболеваний (онкология, кардиология, СПИД и другие вирусные инфекции).

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >